Dispersione ultrasonica del grafene
Per incorporare il grafene nei compositi, è essenziale disperdere o esfoliare il grafene in singoli nano-fogli in modo uniforme nella formulazione. Quanto più accuratamente il grafene viene deagglomerato, tanto meglio possono essere utilizzate le sue straordinarie proprietà materiali. La dispersione a ultrasuoni offre una distribuzione delle particelle e una stabilità della dispersione superiori, anche a concentrazioni e viscosità elevate. Questo metodo offre una qualità di dispersione eccezionale, superando di gran lunga le tecniche di miscelazione convenzionali.
Dispersione ultrasonica del grafene
Per conferire ai compositi le straordinarie caratteristiche del grafene, come la sua resistenza, il grafene deve essere disperso uniformemente in una matrice o applicato come rivestimento in film sottile su un substrato. I fattori chiave che influenzano le proprietà del materiale risultante sono l'agglomerazione, la sedimentazione e la dispersione nella matrice o la distribuzione delle particelle sul substrato.
A causa della natura idrofobica del grafene, è difficile creare una dispersione stabile e altamente concentrata senza tensioattivi o disperdenti. Per superare le forze di van der Waals sono necessarie forti forze di taglio, che possono essere efficacemente generate dalla cavitazione a ultrasuoni. Questo metodo è il più sofisticato per preparare dispersioni stabili.
Sonicatori industriali per la dispersione ad alta velocità del grafene.
Ulteriori informazioni e dettagli tecnici sui sonicatori industriali a sonda Hielscher per l'esfoliazione e la dispersione del grafene sono disponibili qui:
- UIP1000hdT (1000 watt di potenza a ultrasuoni)
- UIP2000hdT (2000 watt di potenza a ultrasuoni)
- UIP4000hdT (4000 watt di potenza a ultrasuoni)
- UIP6000hdT (6000 watt di potenza a ultrasuoni)
- UIP16000hdT (16.000 watt di potenza a ultrasuoni)
Tutti i sonicatori Hielscher consentono un controllo preciso di tutti i parametri di processo importanti, la tecnologia di dispersione a ultrasuoni evita di danneggiare le strutture chimiche e cristalline del grafene. – ottenendo fiocchi di grafene incontaminati e privi di difetti.
I potenti ultrasonici Hielscher sono in grado di trattare grafene e grafite in grandi volumi, ad esempio per l'esfoliazione in fase liquida e la dispersione di grafene. L'esatto controllo dei parametri di processo consente di scalare senza problemi i processi a ultrasuoni dal banco di prova alla produzione commerciale.
Il grafene a pochi strati esfoliato con ultrasuoni con circa 3-4 strati e una dimensione di circa 1μm può essere (ri)disperso a concentrazioni di almeno 63 mg/mL.
Immagini SEM di nanopiastrine di grafene a (b) X3000 e (c) X8000
(Studio e immagini: ©Alizadeh et al., 2018)
- grafene di alta qualità
- alta produttività / alti rendimenti
- dispersione uniforme
- alta concentrazione
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- Processo rapido
- Basso costo
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- Rispettoso dell'ambiente
Reattore a ultrasuoni da 7 kW per dispersioni di grafene
Omogeneizzatori e dispersori a ultrasuoni per il grafene
Hielscher Ultrasonics fornisce sistemi a ultrasuoni ad alta potenza per l'esfoliazione e la dispersione di grafene sfuso e grafite in mono, bi e pochi strati. I loro affidabili processori a ultrasuoni e i reattori avanzati forniscono la potenza necessaria e il controllo preciso per raggiungere obiettivi di processo specifici.
Uno dei parametri di processo più importanti è l'ampiezza degli ultrasuoni, ovvero lo spostamento vibrazionale in corrispondenza della tromba ultrasonica. Gli ultrasonici industriali Hielscher sono progettati per fornire ampiezze molto elevate, con un funzionamento continuo fino a 200µm. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonde a ultrasuoni personalizzate. I parametri di processo di tutti i sonicatori Hielscher possono essere regolati con precisione in base alle condizioni di processo richieste e monitorati tramite il software integrato, garantendo un'elevata affidabilità, una qualità costante e risultati riproducibili. Il design robusto dei sonicatori Hielscher è costruito per funzionare 24 ore su 24 e 7 giorni su 7 in ambienti difficili, rendendo la sonicazione la tecnologia preferita per la produzione su larga scala di nanosheet di grafene mono e a pochi strati.
Hielscher offre un'ampia gamma di ultrasuonatori e accessori, tra cui sonotrodi e reattori di varie dimensioni e geometrie. Ciò consente di selezionare le condizioni e i fattori di reazione ottimali, come i reagenti, l'energia ultrasonica immessa per volume, la pressione, la temperatura e la portata, per ottenere la massima qualità. I loro reattori a ultrasuoni possono essere pressurizzati fino a diverse centinaia di barg, rendendo possibile la sonicazione di paste altamente viscose (fino a 250.000 centipoise).
Queste capacità rendono la delaminazione, l'esfoliazione e la dispersione a ultrasuoni superiori alle tecniche di macinazione e fresatura convenzionali.
I sonicatori Hielscher sono gli omogeneizzatori a ultrasuoni più sofisticati del mercato. Approfittate dei numerosi vantaggi offerti dai sonicatori Hielscher!
Grafico che visualizza la sintesi ad ultrasuoni di nanopiastrine di grafene utilizzando il sonicatore UP100H
(Studio e grafica: Ghanem e Rehim, 2018)
Sonicatori Hielscher per il grafene:
- Ultrasuoni ad Alta Potenza
- elevate forze di taglio
- alte pressioni applicabili
- controllo preciso
- scalabilità senza soluzione di continuità (lineare)
- batch e flow-through
- risultati riproducibili
- affidabilità
- robustezza
- Alta efficienza energetica
Particolarità / Cose da sapere
Che cos'è il grafene?
Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, che può essere descritto come una struttura a singolo strato o 2D di grafene (single layer graphene = SLG). Il grafene ha una superficie specifica straordinariamente grande e proprietà meccaniche superiori (modulo di Young di 1 TPa e resistenza intrinseca di 130 GPa), offre una grande conducibilità elettronica e termica, mobilità dei portatori di carica, trasparenza e impermeabilità ai gas. Grazie a queste caratteristiche del materiale, il grafene viene utilizzato come additivo di rinforzo per conferire ai compositi resistenza, conduttività, ecc. Per combinare le caratteristiche del grafene con altri materiali, il grafene deve essere disperso nel composto o applicato come rivestimento in film sottile su un substrato.
I solventi più comuni, spesso utilizzati come fase liquida per disperdere i nanoscheletri di grafene, includono il dimetilsolfossido (DMSO), la N,N-dimetilformammide (DMF), il N-metil-2-pirrolidone (NMP), la tetrametilurea (TMU), il tetraidrofurano (THF), il propilene carbonatoacetone (PC), l'etanolo e la formammide.
Il grafene può essere disperso in acqua?
Sì, il grafene può essere disperso in acqua utilizzando tensioattivi, polimeri o altri agenti stabilizzanti per prevenire l'aggregazione e mantenere la stabilità della dispersione. Anche le apparecchiature di dispersione affidabili, come i sonicatori a sonda, svolgono un ruolo cruciale nella dispersione del grafene, utilizzando l'energia ultrasonica per rompere gli agglomerati e ridurre le dimensioni delle particelle di grafene, promuovendo una dispersione più uniforme e stabile nel mezzo liquido.
L'ossido di grafene può sciogliersi in acqua?
Sì, l'ossido di grafene può dissolversi in acqua grazie ai suoi gruppi funzionali contenenti ossigeno, che ne aumentano l'idrofilia e gli permettono di formare dispersioni acquose stabili.
Qual è il miglior solvente per disperdere il grafene?
Il solvente migliore per disperdere il grafene è l'N-metil-2-pirrolidone (NMP) grazie alla sua elevata polarità e alla capacità di stabilizzare i fogli di grafene, ottenendo una dispersione uniforme e stabile.
Perché il grafene è insolubile in acqua?
Il grafene è insolubile in acqua perché manca di gruppi funzionali che possano interagire con le molecole d'acqua, rendendolo idrofobo e incline all'aggregazione a causa delle forti forze di van der Waals tra i fogli di grafene.
Perché il grafene viene utilizzato nei compositi?
Il grafene è il più sottile con uno spessore di un atomo, con un peso di circa 0,77 mg per 1m.2 il più leggero e, con una rigidità alla trazione di 150.000.000 psi (100-300 volte più forte dell'acciaio) e una resistenza alla trazione di 130.000.000.000 Pascal, il materiale più resistente conosciuto.
Inoltre, il grafene è il miglior conduttore termico (a temperatura ambiente con (4,84±0,44) × 103 a (5,30±0,48) × 103 W-m-11-K-1) e il miglior conduttore elettrico (mobilità degli elettroni più alta di 15.000 cm2-V-1-s-1).
Un'altra importante caratteristica del grafene è la sua proprietà ottica, con un assorbimento di luce pari al πα≈2,3% della luce bianca, e il suo aspetto trasparente.
Incorporando il grafene nelle matrici, queste eccezionali caratteristiche del materiale possono essere trasferite al composito risultante, che offre funzionalità uniche. Tali compositi rinforzati con grafene offrono nuove possibilità per lo sviluppo di materiali e applicazioni industriali. Grazie alle sue caratteristiche, il grafene e i compositi a base di grafene sono già ampiamente diffusi nella produzione di batterie ad alte prestazioni, supercondensatori, inchiostri conduttivi, rivestimenti, sistemi fotovoltaici e dispositivi elettronici.
I sonicatori Hielscher forniscono le elevate forze di taglio necessarie per superare le forze di van der Waals e distribuire uniformemente i fogli di grafene nelle matrici composite. I dispersori a ultrasuoni come l'UIP2000hdT o l'UIP16000 sono utilizzati per produrre nano-compositi rinforzati con grafene e ossido di grafene.
Letteratura/riferimenti
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Ivanov R., Hussainova I., Aghayan M., Petrov M. (2014): Graphene Coated Alumina Nanofibres as Zirconia Reinforcement. 9th International DAAAM Baltic Conference of industrial Engineering 24-26 April 2014, Tallinn, Estonia.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.